Soluțiile IoT constau adesea din sute sau mii de dispozitive de margine (edge devices) conectate. Constrângerile tipice de proiectare, cum ar fi managementul costurilor și consumului de putere, cresc pe măsură ce se adaugă mai multe dispozitive la rețea. La această scară, modul în care produsul vostru se conectează la internet poate determina dacă acesta reușește sau nu.
Figura 1: Internetul Lucrurilor (IoT) este format din sute sau mii de dispozitive conectate la aceeași rețea.
Acest ghid vă va oferi o imagine de ansamblu asupra celor mai cunoscute metode de conectare utilizate în aplicațiile IoT. Urmăriți articolul pentru a cântări opțiunile și a stabili cum doriți să puneți punctul pe “i” în proiectul dvs. IoT.
- Ethernet
Ethernet este un mod rapid și de încredere de a conecta dispozitivele la internet. Întâlnit frecvent în automatizarea industrială și a clădirilor, Ethernet strălucește în sisteme care includ multe noduri de rețea.
Deoarece Ethernet este o conexiune cu fir, aceasta reprezintă o metodă de conectivitate foarte sigură. Există, de asemenea și capacitatea de a alimenta dispozitivul prin cablul Ethernet datorită caracteristicii Power Over Ethernet (PoE), care elimină necesitatea unui modul de alimentare separat.
Cu toate acestea, managementul cablurilor reprezintă provocări semnificative în materie de proiectare și, cu siguranță, această metodă nu este utilă pentru fiecare aplicație. Nodurile conectate prin Ethernet trebuie să fie aproape de un router. Chiar și în aplicații pe distanță scurtă, cum ar fi automatizarea caselor și a clădirilor, cablurile Ethernet sunt atât de voluminoase, încât administrarea și ascunderea acestora reprezintă o provocare majoră. În clădirile moderne, sistemele de iluminare automate sunt conectate fizic încă din timpul construcției, însă instalarea unui sistem Ethernet IoT într-o clădire, care nu este proiectată în acest mod, este adesea imposibilă.
- Wi-Fi®
Figura 2: Fiind opțiune preferată pentru conexiunea la internet în electronicele de consum, Wi-Fi aduce avantajele unei vitezei mari de transfer și ale conexiunii fără fir.
Fiind cea mai comodă conexiune la internet, topologia fără fir oferită de Wi-Fi este incredibil de atrăgătoare. Este acceptată la scară largă de majoritatea dispozitivelor și nu depinde de restricții fizice de cablare precum Ethernet.
În ciuda răspândirii sale, adăugarea capacității Wi-Fi la un proiect embedded este de obicei complexă. Wi-Fi-ul este atractiv, deoarece este fără fir și rapid, dar aceste funcții vin în detrimentul vulnerabilităților de securitate și consumului energetic. Drept urmare, proiectele IoT bazate pe Wi-Fi necesită un inginer care să echilibreze delicat securitatea, consumul de putere și costurile.
Din fericire astăzi, există soluții pentru a ajuta inginerii să depășească aceste bariere. Utilizarea unui modul Wi-Fi optimizat pentru IoT va simplifica proiectul și va economisi timp de dezvoltare. Module precum WINC1500 sunt complet certificate, acceptă protocoale de securitate și sunt optimizate pentru dispozitivele alimentate de la baterie, permițând conectivitatea Wi-Fi fără a compromite costurile și consumul de putere.
- Rețea de arie largă cu consum redus de putere (LPWAN)
LPWAN-urile sunt mai puțin obișnuite în produsele de larg consum, așa că este posibil să nu fiți la fel de familiarizat cu ele. O parte semnificativă a domeniului IoT este reprezentată de aplicații pe arii întinse, cum ar fi monitorizarea mediului.
Figura 3: Agricultura este o aplicație perfectă pentru LPWAN, deoarece aceste rețele pot acoperi zone mari cu consum energetic foarte mic.
Frumusețea folosirii IoT pentru monitorizarea mediului este că putem monitoriza zone rurale, maritime și, în general, zone inaccesibile. Problema este întocmai că aceste locații sunt rurale, maritime și în general zone inaccesibile. Nu puteți să reîncărcați rapid un dispozitiv care plutește în ‘Groapa Marianelor’ sau să vă conectați la Wi-Fi în deșertul ‘Mojave’.
Distanțele LPWAN utilizate în mod obișnuit par să se ridice în jurul a 10 km. Datele sunt transferate la viteze foarte mici, dar dacă soluția voastră IoT nu verifică e-mailul și nu transmite date video, probabil că nu veți avea nevoie de o conexiune cu viteză mai mare.
Deși sunt utilizate în mod obișnuit în aplicații agricole și de comandă de la distanță, LPWAN-urile nu se adresează exclusiv acestor sectoare. Utilizarea urbană este în creștere, iar una dintre cele mai mari implementări comerciale IoT LPWAN din America de Nord este localizarea vehiculelor în loturile de licitații. (n.r.: Lot – Acest termen se referă fie la un vehicul individual, fie la un grup de vehicule care sunt scoase la vânzare la licitație ca o singură unitate.)
Există două protocoale comune LPWAN: LoRaWAN™ (de la Long Range, sau LoRa®) și Sigfox. O diferență între cele două este costul. Sigfox este un serviciu bazat pe abonament și funcționează similar cu rețeaua celulară. Dacă Sigfox este disponibil în zona voastră vă puteți conecta printr-un abonament la un furnizor local. Cu LoRaWAN, dezvoltatorii pot evita o taxă de abonament prin crearea unei rețele proprii, dar cei mai mulți încă aleg să folosească infrastructura ‘LoRa gateway’ a unui furnizor de rețea locală și să plătească o taxă de utilizare.
- Rețeaua celulară
În afară de zonele rurale extrem de îndepărtate, sistemul de telefonie celulară acoperă toată suprafața lumii. Pentru sistemele embedded care au nevoie de acest nivel de acoperire, rețeaua de telefonie celulară este singura opțiune. În orice caz, nu este o variantă economică. Aveți nevoie de un furnizor și nu puteți configura propria rețea fără o aprobare de reglementare guvernamentală. Costul componentelor embedded și al abonamentelor furnizorului pentru fiecare nod depășește adesea beneficiile acoperirii extinse a rețelelor celulare.
Acestea fiind spuse, este important să distingem rețeaua de telefonie celulară utilizată pentru conectarea dispozitivelor și factura pe care o plătiți o dată pe lună pentru telefonul vostru. Rețelele celulare specifice IoT se dezvoltă pentru a concura cu LPWAN-urile. O rețea celulară IoT în creștere este LTE CAT-M. M-ul vine de la „Machine” (Mașină) și este o opțiune de viteză mai mică, cu un cost mai redus și un consum de putere mai mic, optimizată pentru IoT. Un abonament CAT-M poate costa în jur de $7 pe lună pentru 5 MB de date. Alte opțiuni pentru conexiunile IoT celulare sunt CAT-0, CAT-1 și mai nou NB-IoT (NB provine de la „Narrow Band ” – Bandă Îngustă).
Figura 4: În timp ce sateliții sunt foarte utili pentru zonele îndepărtate ale lumii care nu sunt acoperite de serviciul de telefonie celulară, opțiunile pentru utilizarea comercială IoT sunt limitate în prezent.
Pe măsură ce 5G se lansează pe piață, ne putem aștepta ca această tehnologie să stimuleze inovația în IoT. Vitezele mai mari ale rețelei 5G ar putea permite mai multe progrese în aplicațiile IoT de ultimă oră, cum ar fi vehiculele autonome, dar la un preț mai mare în comparație cu rețelele orientate către IoT. Acoperirea 5G nu este la fel de răspândită precum LTE sau 3G, dar este în expansiune. Unii analiști din industrie au prezis că rețeaua 5G va acoperi până la 20% din populația lumii în următorii cinci ani.
- Sateliți
Acoperirea rețelei de telefonie celulară ar putea fi potrivită pentru cea mai mare parte a lumii populate, dar ce se întâmplă dacă doriți să conectați dispozitive în zone și mai îndepărtate și pustii?
Conectivitatea prin satelit este utilizată pentru aplicații IoT, precum logistica de transport în regiuni îndepărtate ale Pământului, care nu sunt acoperite de serviciul celular. Deși se așteaptă să se schimbe pe măsură ce tehnologia satelitului progresează, dezvoltarea unei aplicații IoT prin satelit nu este la fel de accesibilă precum alte opțiuni de conectare. Multe rețele de sateliți sunt rezervate pentru apărare, dar puteți achiziționa module de la Iridium® și ORBCOMM®.
- Bluetooth®
Probabil că sunteți deja familiarizați cu Bluetooth. Atât Bluetooth Clasic cât și Bluetooth Low Energy (BLE – Bluetooth cu consum redus de putere) au raze de acțiune maxime care depășesc 100 de metri, dar sunt utilizate de obicei pentru dispozitivele care se află la câțiva metri unul de celălalt. În viața noastră de zi cu zi, vedem Bluetooth în accesorii pentru telefonul și computerul nostru – căști, tastaturi și tehnologie de afișare.
Bluetooth este excelent pentru echipamentele electronice comune, deoarece această tehnologie oferă un consum redus de putere (BLE are un consum energetic excepțional de mic) este compatibilă pe scară largă și se conectează rapid.
Spre deosebire de Wi-Fi, Bluetooth nu se conectează direct la Internet. Va trebui să configurați un gateway pentru a vă conecta la internet. În timp ce configurarea propriului gateway poate părea descurajantă, de multe ori, este la fel de ușor precum conectarea la un dispozitiv mobil care se conectează, de asemenea și la Wi-Fi.
Bluetooth 5.0 este o actualizare recentă care extinde acoperirea Bluetooth, astfel încât să poată fi utilizat în rețelele pentru locuințe. În timp ce Bluetooth Classic și Bluetooth LE sunt utilizate în mod obișnuit pentru a conecta dispozitive care se află doar la câțiva metri depărtare, cu Bluetooth 5.0 puteți conecta întreaga locuință. Această acoperire extinsă aduce Bluetooth în domeniul automatizării caselor, al iluminatului și al aplicațiilor industriale.
Recomandări
Un aspect important prin care aceste metode de conectare diferă, este ușurința de implementare. Rețelele utilizate frecvent, cum ar fi Wi-Fi și Bluetooth, sunt adesea cele mai simple modalități de a evalua și explora proiectele IoT. Aceste rețele nu necesită să vă construiți propriul gateway sau să plătiți pentru un furnizor.
Figura 5: Placa de dezvoltare AVR-IoT WG este pre-configurată pentru a se conecta în siguranță la Google Cloud.
Sunt disponibile consumatorilor mai multe module de prototipare Wi-Fi și Bluetooth, iar majoritatea oferă codul sursă gratuit și tutoriale despre cum să le programați. Utilizarea modulelor de conectivitate este recomandată, deoarece fac proiectarea mai flexibilă. Când vine momentul să vă adaptați proiectul pentru o altă rețea, puteți schimba modulul, în loc să porniți de la zero.
Simplificarea procesului de proiectare
Conectarea la internet este doar o componentă a proiectării IoT. Sistemele IoT ar trebui să bifeze trei căsuțe: inteligență, conectivitate și securitate.
Figura 6: Modulul MikroElektronika Click BLE2 se integrează cu ușurință în multe platforme de dezvoltare de uz general.
Acest lucru se traduce prin trei componente electrice: un microcontroler (MCU), un modul de conectare și o componentă pentru securitate. Provocarea proiectării IoT vine din integrarea acestor trei componente.
Placa de dezvoltare AVR-IoT WG de la Microchip este un exemplu de platformă de dezvoltare Wi-Fi simplificată. Placa este pre-configurată pentru a vă conecta în siguranță la platforma IoT Google Cloud. Cu o componentă de securitate, un controler Wi-Fi și un microcontroler, toate pe o singură placă, puteți să treceți peste mare parte din operațiile brute inițiale de proiectare și puteți ajunge la ceea ce contează: să inovați și să aduceți produsul IoT pe piață cât mai repede.
Arduino Uno WiFi Rev 2 oferă, de asemenea, componente inteligente, securizate și conectabile la rețea. Arduino găzduiește o comunitate activă pentru dezvoltarea de prototipuri, cu multe tutoriale și cu codul sursă gratuit, disponibil online.
Plăcile de dezvoltare MikroElektronika Click™ sunt module pentru prototipare rapidă, care se conectează direct la placa AVR-IoT WG sau, printr-o placă de extensie, la Arduino Uno WiFi Rev 2. Cu un număr mare de plăci click de conectivitate disponibile, inclusiv o varietate de module LoRa și Bluetooth, acestea oferă o modalitate excelentă de a adăuga conectivitate la proiectul vostru IoT aflat în faza de prototip.
Cu unelte ușor de utilizat, cum ar fi Arduino și placa de dezvoltare AVR-IoT WG, construirea unui dispozitiv IoT nu a fost niciodată mai facilă. Indiferent dacă sunteți de profesie proiectant de dispozitive embedded, un producător sau doar un curios (devotat) al unui blog de electronică, puteți să construiți o rețea IoT. Această puternică accesibilitate, împreună cu o lume din ce în ce mai conectată, asigură că interconectarea lucrurilor va continua să conducă la progres într-un mod fără precedent.
Autor: Rachel Beddor,
Microchip Technology | https://www.microchip.com
